Kosmologie im Umbruch Bruno Leibundgut

Report
Das beschleunigte Universum
Bruno Leibundgut
European Southern Observatory
Gratulation!
Saul Perlmutter Brian Schmidt Adam Riess
"for the discovery of the accelerating
expansion of the Universe through
observations of distant supernovae"
Resultat zweier globaler
Teams
• Supernova Cosmology
Project
– Saul Perlmutter – Berkeley
• High-z Supernova Search
Team
– Brian Schmidt – Australian
National University
– Adam Riess – Johns-Hopkins
University and STScI
High-z Supernova Search
Team
Supernova Cosmology Project
High-z SN Supernova Search
Team
December 2011
© Nicholas B. Suntzeff
Vergangenheit und Zukunft
Die Zukunft des Universums wird von
seiner Vergangenheit und seinem Inhalt
bestimmt.
Seit dem Urknall dehnt sich der Raum
kontinuierlich aus. Diese Ausdehnung
wird von der gravitationellen Anziehung
abgebremst.
Mehr Materie bewirkt eine langsamere
Ausdehnung und möglicherweise einen
Llankru.
Fundamente der
Kosmologie
Gravitationstheorie
Einstein’sche Relativitätstheorie
Isotropie
Es gibt keine bevorzugte Richtung im
Universum
Homogeneität
Es gibt keine bevorzugte Region
(e.g. es gibt kein Zentrum des Universums)
Anthropisches Prinzip
Das Universum hat uns erzeugt
M = 0
Mittlerer Abstand
der Galaxien
offen
M < 1
M = 1
geschlossen
Schwächer
M > 1
Rotverschiebung
- 14
-9 -7
Milliarden Jahre
Heute
Zeit
Beobachtende Kosmologie
• Entfernungsmessung
• Rotverschiebung
• Veränderung/Entwicklung
– Galaxien
– Aufbau der chemischen Elemente
– Abkühlung der kosmischen
Hintergrundsstrahlung
Die Expansion des
Universums
Hubble 1936
Das original Hubble
Diagram
Entfernung
Ein modernes Hubble Diagram
Supernova
23 February 1987
25 February 1987
Supernova!
© Anglo-Australian Telescope
Supernovae!
Supernovae
© SDSSII
Bruno Leibundgut
Supernovae!
Bruno Leibundgut
Riess et al. 2007
SN 1994D
Historische Bedeutung von
Supernovae
• Historische Supernovabeobachtungen
vor allem im asiatischen Raum (China,
Korea)
– Zusammen mit “Haarsternen” (Kometen)
als himmlische Zeichen (typischerweise
schlechte) interpretiert
• Erscheinungen am Fixsternhimmel
– Im Widerspruch zum Ptolemäischen
Weltbild der Himmelssphären
Historische Bedeutung von
Supernovae
• SN1572 beobachtet von Tycho Brahe
– De stella nova
– Keine messbare Parallaxe  außerhalb
des Sonnensystems
• SN1604 Kepler’s Supernova
• Beobachtung von S Andromeda
(SN1885B)
– Lundmark (1925) schlägt vor, dass
Andromeda extra-galaktisch ist
Supernova Klassifikation
Basiert auf der spektralen Erscheinung
am Lichtmaximum
Kernkollaps in
massiven Sternen
SN Ia (kein H)
SN II (Wasserstoff H)
SN Ib/c (kein H/He)
Hypernovae/GRBs
Thermonukleare
Explosionen
Energie Quellen
• Gravitation →Typ II Supernovae
– Kollaps einer Sonnenmasse oder mehr in einen
Neutronenstern
Freisetzung
von 1046 Joule
− vor allem Elektron Neutrinos νe
− 1044 Joule in kinetischer Energie (Expansion des
Sternmaterials)
− 1042 Joule in Strahlung
• Nukleare (Bindungs-)Energie → Typ Ia
– explosives Kohlenstoff- und SauerstoffBrennen von etwa einer Sonnemasse
Freisetzung von 1042 Joule
Supernovae
Urknall
Extrem helle Sternexplosionen
Sterne
Wichtig für die Produktion von
schweren chemischen Elementen
Supernovae
If you want to make an apple pie from
scratch, you must first create the
universe.
Um einen Apfelkuchen mit all seinen
Zutaten zu backen, müssen Sie zuerst
das Universum erzeugen.
Carl Sagan
quoted in
Big Bang by Simon Singh (2004)
Supernovae
Extrem helle Sternexplosionen
Wichtig für die Produktion von schweren
chemischen Elementen
Endprodukt der Sternentwicklung
– für massive Sterne als Kernkollaps mit
nachfolgendem Neutronenstern oder
Schwarzem Loch
– für kleine Sterne in engen
Doppelsternsystemen
– (der Rest der Sterne erlischt langsam)
Supernovae
Extrem helle Sternexplosionen
Wichtig für die Produktion von schweren
chemischen Elementen
Beste Entfernungsindikatoren im
Universum
The only reliable way of determining
extragalactic distances is through supernova
investigations.
F. Zwicky
Kosmologie mit Supernovae
Entfernungen sind im Universum schwer
zu messen. Sie sind aber essentiell, um
die Expansionsrate und deren Geschichte
bestimmen zu können.
Typ Ia Supernovae sind ausgezeichnete
Entfernungsindikatoren, die im nahen
Universum geeicht werden.
Supernova Suche
Weltweite Zusammenarbeit um Typ Ia
Supernovae im entfernten Universum zu finden
und zu beschreiben
Bestimmung der mittleren
Materiedichte im Universum
M = 0
Mittlerer
Abstand der
Galaxien
offen
M < 1
M = 1
Schwächer
geschlossen
Rotverschiebung
- 14
- 9- 7
Milliarden Jahre
Heute
M > 1
Zeit
4m CTIO
Original High-z SN Search
Team Proposal
CTIO
Supernova Suche
Die Nadel(n) im Weltall
Supernova Suche
(High-z Supernova Team)
SN 1995K bei z=0.479
• Erste SN des
High-z SN
Search Teams
Schmidt et al. 1998
ESO Press Release 95/11
• “Beyond the Hubble Constant”
“SN 1995K ist die am weiteste entfernte Supernova (ja, der am
weitesten entfernte Stern!) der jemals beobachted wurde.”
Die nahen SNe Ia
Evidenz für gute
Entfernungen
Germany et al. 2004
Der Energieinhalt dominiert
das entfernte Universum
Die Expansionsgeschichte wird vom
Energieinhalt des Universums bestimmt.
Materie, wegen E=mc2, ist auch Energie
und aufgrund der anziehenden
Gravitation müsste sich die Expansion mit
der Zeit verlangsamen. Dies ist in den
Einsteinschen Feldgleichungen kodiert.
Einsteins Feldgleichungen
Friedmann-Lemaître
Kosmologie
Annahme:
ein homogenes und isotropes Universum
(Kosmologisches Prinzip)
Nullgeodesie in der Friedmann-Robertson-Walker Metrik:

(1  z ) c 
DL 
S
H 0  

M 
8 G
3H
2
0
1
z

M
 


 (1  z )   M (1  z )   
2
3

0
k  
kc
2
2
R H
2
0
 
c
2
3H
2
0
2


d z 

Entfernung
Das vollständige Hubble Diagramm
Entfernung
Das SN Hubble
Diagramm
Eine junge Truppe ...
High-z SN Search Team 1999 in Aspen
Kosmologische Implikation
• Leeres Universum
• Einstein – de Sitter
• Lambda-dominiertes
Universum
• Konkordanzkosmologie
Supernova Kosmologie
2011
Goobar & Leibundgut 2011
560 SNe Ia
et voilà ...
• 10 Jahre Fortschritt
Goobar & Leibundgut 2011
Der
Zustandsgleichungsparameter 
• Allgemeine Leuchtkraft Entfernung

( 1  z )c 
DL 
S  
H 0 

– mit
z

2


(
1

z
)

  
0
   1
  und
i
i

i
3 ( 1  i ) 

 i (1  z )


i 
pi
ic
M= 0 (Materie)
R= ⅓ (Strahlung)
= -1 (kosmologische Konstante)
2
1
2



dz 

Supernova Kosmologie
•  gut vermessen
– verschiedene Experimente liefern konsistente
Resultate
NSN
ΩM(flat)
w (constant, flat)
Light curve fitter
Reference
115
SALT
Astier et al. 2006
162
MLCS2k2
178
SALT2
288
MLCS2k2
288
SALT2
557
SALT2
Amanullah et al. 2010
472
SiFTO/SALT2
Conley et al. 2011
580
SALT2
Suzuki et al. 2011
Wood-Vasey et al. 2007
Kessler et al. 2009
M = 0
Mittlerer Abstand
der Galaxien
offen
M < 1
M = 1
geschlossen
Schwächer
M > 1
Rotverschiebung
- 14
-9 -7
Milliarden Jahre
Heute
Zeit
Was bedeutet das?
Entfernte Supernovae sind weiter
entfernt als in einem frei
expandierenden, ungebremsten
Universum. Dies kann nur durch eine
abstossende Kompente erzeugt
werden.
Einstein zur
Kosmologischen Konstante
[Die Kosmologische Konstante] haben wir nur nötig, um eine
quasi-statische Verteilung der Materie zu ermöglichen, wie es
der Tatsache der kleinen Sterngeschwindigkeiten entspricht.
Einstein (1917)
Der Inhalt des Universums
Dunkle Materie
und Dunkle
Energie sind die
bestimmenden
Energiebeiträge
des Universums.
Was sind sie?
Was bedeutet das?
Das Universum besteht im wesentlichen aus
nichts.
Das Universum expandiert für immer.
Im Moment existiert keine überzeugende
physikalische Interpretation der
Vakuumsenergie (Dunkle Energie).
Nur 4% des Universums sind aus
demselben „Stoff“ wie wir (und alles, das
wir kennen).
Interpretationen/Spekulationen
Einstein’s Kosmologische Konstante
Bisher kein “Platz” im Standart Model der
Teilchenphysik
Quintessence
Quantenmechanisches Teilchenfeld,
dass Energie in das Universum entlässt
Anzeichen einer höheren Dimension
Gravitation ist am besten beschrieben in
einer Theorie mit mehr als vier
Dimensionen
Phantom Energie
Die Dunkle Energie ist so stark, dass das
Universum auseinander fällt (Big Rip)
There is a theory which states that if ever anyone
discovers exactly what the Universe is for, and
why it is here, it will instantly disappear and be
replaced by something even more bizarrely
inexplicable.
There is another theory which states that this has
already happened.
Douglas Adams

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